Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Středoškolská technika 2013
Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT
ELEKTROPNEUMATICKÝ MANIPULÁTOR
Vojtěch Štěpánek, Jakub Lustyk
Integrovaná střední škola technická
Mládežnická 324, Vysoké Mýto
STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST
ELEKTROPNEUMATICKÝ MANIPULÁTOR
Jakub Lustyk
Vojtěch Štěpánek
Vysoké Mýto 2013
STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST
Obor SOČ: 9. Strojírenství, hutnictví, doprava a průmyslový design
ELEKTROPNEUMATICKÝ MANIPULÁTOR
Autoři: Vojtěch Štěpánek, Jakub Lustyk
Škola: Integrovaná střední škola technická Vysoké Mýto,
Mládežnická 324
Konzultant: Ing. Milan Solil
Vysoké Mýto 2013
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem svou práci vypracoval samostatně, použil jsem pouze podklady (literaturu, SW
atd.) uvedené v přiloženém seznamu a postup při zpracování a dalším nakládání s prací je v souladu
se zákonem č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o
změně některých zákonů (autorský zákon) v platném znění.
Ve Vysoké Mýtě dne 22.4.2013
Podpis: ………………………………………………………………..
Poděkování.
Děkuji Ing. Milanu Solilovi a Ing. Pavlu Novotnému za obětavou pomoc a podnětné připomínky, které
mi během práce poskytovali.
ANOTACE
Cílem této práce je vyrobit a ovládat elektropneumatický manipulátor. Nedílnou součástí je
vyhotovení technologických postupů a výkresové dokumentace pro jednotlivé části manipulátoru.
Finální částí je tvorba programu, pro využití manipulátoru k prezentaci fotografii.
Klíčová slova
Manipulátor, technologický postup výroby, výkres, řízení
7
Obsah 1. ÚVOD ............................................................................................................................................... 8
2. NÁVRH A KONSTRUKCE ................................................................................................................... 9
3. VÝROBNÍ ČÁST ............................................................................................................................... 13
4. SOFTWAROVÁ ČÁST ...................................................................................................................... 19
5. ZÁVĚR ............................................................................................................................................ 28
6. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ...................................................................................................... 28
7. PŘÍLOHY ......................................................................................................................................... 28
8
1. ÚVOD Již na začátku roku 2012 jsme dostali jako budoucí maturanti za úkol na výrobu manipulátoru,
který měl sloužit jako naše tablo právě v době maturitních zkoušek. Vycházeli jsme přitom ze
stavebnice ROB1-3, což byl robotický manipulátor se třemi stupni volnosti, programovaný v BASICU
na procesoru PICAXE. Znamenalo to tedy pouze oměřit již hotový výrobek, vymyslet uchycení
podtlaku a celý systém naprogramovat.
Z plánu nakonec sešlo a my jsme se na začátku čtvrtého ročníku rozhodli navrhnout
elektropneumatický manipulátor úplně sami. To znamenalo několik hodin společného navrhování a
poté rozebraní si jednotlivých dílů v naší skupině, vše propočítat, udělat veškerou výkresovou a
výrobní dokumentaci a vést výrobu a nakonec zpracovat rozsáhlou seminární práci.
Už delší dobu bylo plánem našeho konzultanta Ing. Milana Solila, a obecně celého učitelského
sboru, vytvořit z naší školy jakési simulování fungování opravdové strojírenské firmy, což znamená, že
studenti střední školy by projekty navrhovali a tvořili potřebnou dokumentaci (Odpisy, výkresy,
technologické postupy, atd.) a studenti učebních oboru by součásti vyráběli a konzultovali případné
problémy.
Celý mechanismus, jak můžete vidět na obrázku (Obr.1), je vcelku jednoduchý kompresor
umístěný v plechové bedně naplní vzdušník tlakem, které rozdělovače nejprve převedou do dvou
pístů, umístěných na sloupu, a tím umožní zvednutí ramena. Elektromotor poté zařídí otáčení spodní
točny, kde vymezení samotného otočení zaručují dva světelné senzory. Vytvoření podtlaku k přisáti
objektu má na starosti dvojce pístů, spojených táhly. Poté dojde znovu ke zvednutí ramena otočení
k druhým senzorům, sklopení ramena a samotné vypouštění podtlaku. Tento proces opakujeme
podle volby v programu kolikrát chceme, přičemž příkazy z počítače mění na elektronické impulzy
driver přidělaný v plechové bedně.
Obr. 1
S nadsázkou se tedy dá říct, že jsme udělali výtah z podrobného 300 stránkového rozboru o
elektropneumatickém manipulátoru. Snažili jsme se ukázat ty nejzásadnější věci od návrhu až po
samotnou konstrukční část zakončenou programováním manipulátoru a soustředit se především na
výkresy, samotnou sestavu celého 3D modelu (Obr. 2) (sestavení trvalo přibližně 5hodin čistého času)
a samotný program.
9
Obr. 2
2. NÁVRH A KONSTRUKCE V prvotním stádiu návrhu manipulátoru jsme udělali asi dvě desítky nákresů, přitom jsme
pracovali s určitým typem polotovaru, který jsme měli k dispozici a se stavebnicí FISHERTECHNIK
ROBO PNEUVAC, ze které jsme použili veškerou pneutechniku (tzn. Písty, rozdělovače, hadičky,
driver, atd.). Konečný vzhled manipulátoru se tedy odvíjel zejména od výše zmíněných předpokladů a
také od dalších normalizovaných součástí jako bylo např. ložisko. Všechny nákresy jsme prováděli
v naší speciální třídě pneumatiky a robotiky, která byla zřízena teprve před dvěma lety. Díky skvělé
výbavě ( CAD systémy, programovací softwary, pneumatické pomůcky, drsnoměr, tvrdoměr, atd.)
jsme mohli naplno využít naši kreativitu.
Při volbě materiálu a polotovaru jsme měli práci velice usnadněnou jelikož, materiál pro
základní součásti robota dodala firma Alupa s. r. o., odlitek točny zajistila firma Slévárna Vysoké Mýto
s níž jsme konzultovali pouze typ slitiny. Polotovar pro ostatní fragmenty stroje jsme vybírali v našem
školním skladu (Obr. 3).
10
Obr. 3
U manipulátoru se prováděli všechny standartní výpočty mezi které patřily kontrola ramena a
sloupu na ohyb, výpočet rovnovážných sil důležitých při tvorbě závaží. U točny manipulátoru pak
samozřejmě výpočet počtu zubů, modulu, roztečné kružnice, atd. Díky tomu, že se většina součásti
strojně obráběla, měli jsme možnost vyzkoušet si drsnoměr vyrobený firmou Mitutoyo a analogový
tvrdoměr Rockwell.
Asi nejzajímavější činnost spjatá s návrhem a konstrukcí bylo testování plastových pístů, které
jsme získali z již zmíněné německé stavebnice. Měření jsme prováděli pomocí kompresoru, vzdušníku
a malých závaží, kterými jsme postupně zatěžovali písty (Obr. 4).
11
Obr. 4
Při tvorbě návrhu a při samotné výrobě se samozřejmě vyskytly některé chyby nebo
problémy, které jsme museli řešit, což nám ale na druhou stranu přineslo mnoho užitečných
zkušeností do budoucna. Mezi základní problémy, které řeší většina středních škol, byl přechod
z teoretické roviny do roviny praktické v tak malých tolerancích a hodnotách obecně. Z toho také
vycházel první problém, jeden píst zvedl pouze 250g, což by nestačilo ani na rameno s uchopením pro
podtlak. Tato situace se nakonec vyřešila připojením druhého pístu a vytvoření protizávaží (Obr.6)
tak, aby písty zatěžoval pouze zvedaný objekt. Připojení protizávaží mělo, ale další efekt a to rázy,
které způsobovala cela horní část manipulátoru (tzn. Rameno, písty, táhla, upevnění podtlaku,
závitová tyč a závaží). V nebezpečí tak bylo jak ložisko tak víko bedny tvořené z plexiskla. Vše jsme
nakonec vyřešili umístěním škrtící sponky, kterou jsme usměrnili šroubkem (Obr. 5).
12
Obr. 5
Obr. 6
13
3. VÝROBNÍ ČÁST Veškerou výkresovou dokumentaci jsme v této verzi použili jako přílohy.
Při tvorbě manipulátoru jsme použili jak strojů konvenčních tak nekonvenčních. Díky tomu, že
je naše dílna vybavena nadprůměrně dobře, neměli jsme, až na některé výjimky, problémy s výrobou.
Zde uvádíme pouze výrobní označení strojů pro případnou představu výroby.
Vrtačko-frézka MARK SUPER
Sloupová vrtačka VS 20 B
Hrotový univerzální soustruh SN 32
14
Dále se jednalo o CNC frézku a CNC soustruh, ohýbačku plechů, ruční vrtačku, lis, atd.
Mezi nejdůležitější součásti celého robota patřila určitě točna manipulátoru, na které jsme
měli možnost se maximálně vybít po strojařské stránce. Vše začalo už výběrem polotovaru, jelikož se
nám zdálo zbytečné plýtvaní materiálu pří výběru kulatiny tak velkého průměru. Proto jsme oslovili
místní slévárnu a po konzultaci jsme se dohodli, že si točnu odlejeme (Obr. 9) v pískové formě.
V dílně jsme si vytvořili pouze dělený dřevěný model (Obr. 8). Dalším aspektem výroby točny byla
volba technologie pro vytvoření ozubení. Celou dobu jsme totiž mysleli, že se o výrobu ozubení
postará externí firma, ale na poslední chvíli se v dílně objevila dělička se správnou modulovou frézou.
Na obrázku č. 7 můžete vidět detail na již hotové ozubení.
Obr. 7
15
Obr. 8
Obr. 9
Dalším zajímavým konstrukčním prvkem je způsob upnutí závitových tyček k čepům. Po vzoru
zmíněné stavebnice jsme vytvořili kostičky s dírou pro tyčku a dvěma milimetrovými otvory pro
drátek, který bude zajištovat tyčku v axiálním směru(Pokus o detail můžete vidět na Obr. 10). Na
dalších ilustracích můžete sledovat způsoby zajištění jednotlivých součásti (Obr. 11 a 12).
16
Obr. 10
Obr. 11
17
Obr. 12
I když jsme většinu součásti dokázali vyrobit sami, je samozřejmě zcela přirozené, že jsme
použili některé normalizované prvky. Většina šroubů potřebovala pouze stočit hlavy na soustruhu,
aby se vešli vedle sebe na horní část ramena a zůstala zachována osová vzdálenost. K zajištění čepů
jsme použili třmenový pojistný kroužek, jelikož je oproti segerově kroužku hospodárnější ,jednodušší
a po vložení do drážky trvale pruží. Největší normalizovanou součástí bylo dvouřadé kuličkové ložisko
s kosoúhlým stykem, které jsme vybrali pro jeho zachycování jak radiálních tak axiálních sil.
Většina součástí manipulátoru byla nalakována ve školní lakovně (Obr. 13), přičemž návrh
jsme si udělali sami, tak aby nezanikli jednotlivé segmenty celé sestavy (Obr. 14). Hliníkové jsme měli
v plánu eloxovat, k čemuž bohužel pro nedošlo.
18
Obr. 13
Obr. 14
19
4. SOFTWAROVÁ ČÁST V této kapitole začneme podrobnějším rozebráním celého cyklu při pohybu do leva pomocí
ilustrací z programu Inventor 2012, ve kterém jsme celý model tvořili. Při opačném pohybu je
vytvořen identický program pouze s opačným smyslem. Celý cyklus se může opakovat vícekrát.
Rameno začíná ve středu osy otáčení.
Rameno se zvedá z počáteční polohy nahoru.
20
Rameno se otáčí doleva dokud ho nezastaví snezor 2.
Rameno klesá dolů.
21
Tlak ze vzdušníku přivede příslušný rozvaděč do pístu, který tlakem vytáhne druhý píst vytvářející
podtlak.
Rameno se zvedá, již s objektem, do horní polohy.
22
Rameno se otáčí do středu osy otáčení a ukazuje objekt po dobu 5ti sekund.
Rameno se otáčí doprava dokud ho nezastaví senzor 1.
23
Rameno klesá na víko bedny.
Rozvaděč vypouští podtlak a rameno tak pouští objekt.
24
Rameno se zvedá do horní polohy.
Rameno se otáčí do středu osy otáčení.
25
Rameno klesá dolů.
Celý program byl proveden v programu ROBO Pro. Je to grafický programovací jazyk s velice
vřelým uživatelským prostředím. Obsahuje všechny prvky moderního programovacího jazyka jako
jsou pole, funkce, rekurze, objekty, atd. Program převádí složitý strojový kód do jednotlivých
grafických bloků. Pomocí toho programu lze naprogramovat i jednoduché Teach-IN programy, což
jsou programy, které si ukládají cestu nástroje do mezipaměti, nebo přenášet data s jiným softwarem
Windows.
26
Srdcem celého programování je pak již zmínění driver (Obr. 15), který je srdcem celého
ustrojí a převádí příkazy z programu na elektronické impulzy do jednotlivých částí systému. Je
napájen 9V trafem a pomocí mikroUSB připojen k počítači.
Obr. 15
V této časti si předvedeme celou verzi programu navíc s podrobně popsanými bloky, které
jsou pro chod systému významné. Neoznačené části jsou většinou zvedání ramene nebo ukázka (Obr
16).
27
Obr. 16
28
- OTÁČENÍ RAMENA K SENZORU 1
- VYTVOŘENÍ PODTLAKU VYSUNUTÍM PÍSTŮ
- KOMPRESOR PLNÍ VZDUŠNÍK 8 SEKUND
- OTÁČENÍ RAMENA DO STŘEDU OSY OTÁČENÍ POMOCÍ MOTORU
- OTÁČENÍ RAMENA K SENZORU 1 POMOCÍ MOTORU
- ZRUŠENÍ PODTLAKU ZASUNUTÍM PÍSTŮ
Horní část celého diagramu je pohyb doleva a dolní část je tedy pohyb doprava. Bloky jsou jak
už jsme vysvětlovali identické pouze otočené. Značka zeleného a červeného panáčka na začátku a
konci značí logicky začátek a konec programu.
5. ZÁVĚR Při konstruování manipulátoru, jsme se získali nové zkušenosti, jak v oblasti námi
studovaného oboru, tak ve věcech pro nás nových, jako bylo například programování a robotika
obecně. Díky výrobě a konstrukci jsme si oživili některé technologie, hodící se jak k maturitní zkoušce,
tak ke studiu na dalším stupni vzdělávání.
Můžeme tedy konstatovat, že práce pro nás byla z odborného hlediska velice přínosná a navíc
zábavná.
6. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY http://www.odmaturuj.cz/technika/prumyslove-roboty-a-manipulatory/
http://www.edumat.cz/texty/Roboty_manipulatory.pdf
http://cs.wikipedia.org/wiki/Programov%C3%A1n%C3%AD
http://www.isstvm.cz/
7. PŘÍLOHY MIV-MAT-001-001
MIV-MAT-001-002
MIV-MAT-002-001
MIV-MAT-003-001
MIV-MAT-003-002
MIV-MAT-003-003
MIV-MAT-003-004
MIV-MAT-003-005
MIV-MAT-004-001
MIV-MAT-004-002
MIV-MAT-004-003
MIV-MAT-007-001
MIV-MAT-007-002
MIV-MAT-007-003
MIV-MAT-007-004
MIV-MAT-007-005
MIV-MAT-008-001
29
MIV-MAT-008-002
MIV-MAT-008-003
MIV-MAT-009-001
MIV-MAT-009-002
MIV-MAT-009-003
MIV-MAT-009-004
Jedná se o výrobní výkresy.